Analiza drgań hydrozespołu-skrót

Źródło: http://www.komel.katowice.pl/ZRODLA/FULL/108/ref_04.pdf
Tomasz WĘGIEL, Dariusz BORKOWSKI
Politechnika Krakowska
ANALIZA DRGAŃ HYDROZESPOŁU Z GENERATOREM
WZBUDZANYM MAGNESAMI TRWAŁYMI
VIBRATIONS ANALYSE OF HYDROSET WITH PM GENERATOR
Streszczenie: Temat podjęty w pracy dotyczy analizy wyników pomiarowych drgań dla generatorów
z magnesami trwałymi (75kW). Generatory zainstalowano w zintegrowanym z turbiną śmigłową hydrozespole
pracującym w Małej Elektrowni Wodnej z tym, że różnią się konstrukcyjnie rozwiązaniami stojana przy
zachowaniu jednakowych gabarytów. Jeden ze wspomnianych przypadków posiada pewne błędy
konstrukcyjne, co prowadzi do generacji drgań o znacznych poziomach w stosunku do przypadku
o konstrukcji poprawnej. Poddano analizom teoretycznym jakościowe wielkości sił promieniowych
powstających wskutek naciągu magnetycznego. W pracy podjęta została próba odpowiedzi na pytanie, co jest
podstawową przyczyną generacji drgań w generatorach o omawianej konstrukcji i na co powinni zwracać
uwagę konstruktorzy by nie popełniać błędów przy projektowaniu.
Abstract: Subject undertaken in this work concerns on analysis of the vibration measurement results for the
permanent magnet generators (75kW). Generators are installed in the integrated turbine propeller set working
in a small hydropower plant with the fact that they differ structurally of stator solutions while maintaining the
same dimensions. One of these cases has some structural errors, which leads to the generation of significant
levels of vibration as compared to the case of the correct structure. Qualitative theoretical analyses of the
magnetic pool are discussed in the paper. The study was undertaken to answer the question, what is the reason
of vibration for generators with mentioned construction and discussed to what designers should pay attention
in order to avoid mistakes during designing process.
Słowa kluczowe: generator synchroniczny z magnesami trwałymi, naciąg magnetyczny, analiza drgań
Keywords: PM synchronous generator, magnetic pull, vibration analyses
1. Wstęp
W modelowaniu maszyn z magnesami
trwałymi dużo miejsca poświęca się określeniu
momentów zaczepowych. Momenty te mają
pasożytniczy charakter dlatego poszukuje się
różnych sposobów ich ograniczenia. Problem
ten jest dosyć dobrze rozpoznany i opisany
w literaturze. Między innymi w pracy [1]
dokonano szerokiego przeglądu literatury
dotyczącej tego zagadnienia. Wspomniane
momenty zaczepowe bywają przyczyną
powstawania dodatkowych niepożądanych
drgań lecz należy sobie zdać sprawę, że nie są
jedyną przyczyną powstawania zjawisk
pasożytniczych. Temat podjęty w pracy dotyczy
uzupełnienia
metodycznych
aspektów
modelowania
maszyn
z powierzchniowo
montowanymi magnesami trwałymi na wirniku
o przypadki uwzględniania promieniowych
naciągów magnetycznych. Rozważania te mają
na
celu
wyprowadzenie
zależności
analitycznych opisujących siły naciągu
magnetycznego i udzielenie odpowiedzi na
pytanie, czy bazując na klasycznych
założeniach modelowania jest możliwa
jakościowa analiza drgań promieniowych
powstających na powierzchni zewnętrznej
stojana. Dla współczesnych rozwiązań maszyn
z magnesami z Ziem Rzadkich typu NdFeB
można przyjąć, że tzw. oddziaływanie twornika
jest niewielkie, więc miarodajnym dla analiz
naciągów magnetycznych może być stan
bezprądowy. W celach analiz zostaną zatem
wykorzystane
analityczne
formuły
dla
przypadku stanu bezprądowego w którym
rozkład pola magnetycznego uzależniony jest
jedynie od sposobu rozłożenia magnesów na
powierzchni
wirnika
i
rozwiązań
konstrukcyjnych stojana związanych ze
sposobem rozłożenia uzwojeń. Tak postawione
założenie stwarza możliwości jakościowego
określenia pulsacji sił naciągu magnetycznego
odpowiedzialnych za powstawanie drgań
promieniowych. Uzupełnieniem rozważań
teoretycznych przedstawianych w dalszej części
pracy są wyniki pomiarów dla dwóch
generatorów różniących się w szczególności
Wartości amplitud podano w dB, a jako bazowy
przyjęto poziom odniesieniu odpowiadający
wartości 10-4 m/s2 czyli ok. 1/1000 g. Pomiary
przeprowadzono przy zbliżonych prędkościach
generatorów:
Generator 1 – n=246.4 obr/min, fn = 57.5/p Hz;
Generator 2 – n=250.7 obr/min, fn = 58.5/p Hz;
Amplitudy drgań (dB)
4. Podsumowanie
100
90
2p fn
80
70
4p fn
60
6p fn
50
40
30
20
10
0
Prezentację powstających drgań wykonano dla
stanu bezprądowego generatorów, jednakże
autorzy dysponowali pomiarami również
w stanie obciążenia. Wyniki te nie pokazywały
istotnych zmian zarówno jakościowych jaki
i ilościowych
w
stosunku
do
stanu
bezprądowego co potwierdzało słuszność
przyjętego na wstępie założenia.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Częstotliwości drgań (Hz)
Rys. 11. Pomiar przyspieszeń drgań
promieniowych obudowy stojana – Generator 1
Amplitudy drgań (dB)
100
90
Zaprezentowane w artykule metodyczne
aspekty modelowania pokazują możliwości
analiz jakościowych drgań powstających na
powierzchni stojana wywołanych naciągiem
magnetycznym w maszynie wzbudzanej
magnesami trwałymi.
Przedstawione formuły analityczne mimo
dużych uproszczeń dają możliwość wykonania
obliczeń, których wyniki mogą być przydatne
z eksploatacyjnego punktu widzenia.
Ważnym aspektem rozważań jest stwierdzenie,
że duże siły naciągu magnetycznego mogą
uwidaczniać się dla konstrukcji generatorów
z magnesami trwałymi w których stojany
posiadają otwarte żłobki. Projektanci powinni
zatem oprócz analiz momentów zaczepowych,
zwracać uwagę również na problem
powstających sił naciągu magnetycznego.
80
5. Literatura
70
60
50
40
2p fn
30
4p fn
20
10
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Częstotliwości drgań (Hz)
Rys. 12. Pomiar przyspieszeń drgań
promieniowych obudowy stojana – Generator 2
Analiza harmoniczna amplitud mierzonych
drgań potwierdza prawidłowości wynikające
z analitycznych zależnościach.
Pomiar dla Generatora 1 pokazuje wysokie
poziomy drgań o pulsacjach będących
wielokrotnością 2p  oraz innych pulsacjach
świadczących o pojawieniu się również
ekscentryczności dynamicznej.
Dla Generatora 2 poziomy drgań są praktycznie
nieznaczne lecz mimo swoich małych wartości
wykazują jakościową zbieżność z relacjami
opisanymi formułami analitycznymi.
[1]. T. Węgiel, Space harmonic interactions in
permanent magnet generators, Monografia 447,
Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, 2013.
[2]. M. Dąbrowski, Polskie osiągnięcia badawcze
nad naciągami magnetycznymi w maszynach
elektrycznych, Prace Naukowe Instytutu Maszyn,
Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki
Wrocławskiej, Nr 66, 2012.
[3]. D. G. Dorrell,
M. Popescu,
D. Ionel,
Unbalanced Magnetic Pull due to Asymmetry and
Low-Level Static Rotor Eccentricity in FractionalSlot Brushless Permanent-Magnet Motors with
Surface-Magnet and Consequent-Pole Rotors, IEEE
Trans on Magnetics, Vol 46, No. 7, pp 2675-2685,
July 2010.
[4]. T. Sobczyk, Metodyczne aspekty modelowania
matematycznego maszyn indukcyjnych, WNT,
Warszawa 2004.
Autorzy
Dr hab. inż. Tomasz Węgiel *
Dr inż. Dariusz Borkowski **
Politechnika Krakowska,
Instytut Elektromechanicznych Przemian Energii (E-2),
31-155 Kraków, ul. Warszawska 24
* tel. +48 12 628-26-21, email: [email protected]
** tel. +48 12 628-26-59, email: [email protected]